罗明
（南京南瑞继保电气有限公司 江苏南京 211102）
摘要：在纵差保护通道中，采用纵差和纵联保护信息码双校核集成的新方法，保护装置中纵差和纵联保护并行计算，根据通道状况无延时切换，使装置误码耐受率大大提高，适应复杂通道能力增强，大大减少主保护退出时间，提高了保护的可靠性。
关键词：双校核 集成帧 通信误码发生仪 误码耐受率
0 引言
高压、超（特）高压线路，为实现线路故障情况下保护能够全线速动，一般需配置反映两端电气量的线路主保护。目前应用较为广泛的有线路纵联差动保护和纵联距离保护。
纵差保护具有原理简单、动作速度快、灵敏度高、具有天然的选相能力、不受系统振荡、弱馈等运行方式影响等诸多优点，已成为线路主保护的首选。但差动保护对光纤通道质量要求极高，对通道误码率有严格要求，一般要求小于10E-6，在通道条件较为恶劣的场合（如容易遭受冰灾导致通道质量下降的线路），误码率较高时，差动保护可能频繁退出。期间若有区内故障，将造成差动拒动或延时动作。由于纵差保护数据传送量较大，占空比大，相同误码率情况下误帧率较高，同时由于差动保护退出一定时间再恢复后要有一个同步再恢复的过程，导致保护退出时间较长。
相比纵差保护，纵联距离保护的原理决定了其存在抗过渡电阻能力低、受系统振荡影响大、跨线故障选相困难等问题。但其优点是对通道的要求较低，仅需传送简单的开关量，且不受来回路由不一致的影响，受误码影响相对较小，即使有个别误码，也可采用小展宽躲过，纵联保护不退出。即使通道异常导致纵联保护退出时，通道恢复后马上就能时投入使用，因此对通道误码的容忍能力强，通道故障主保护退出时间短。纵联保护另一个优点是支持单向工作方式，即一个方向的光纤异常（如断开），另一个方向的纵联保护可以照常工作，这点对于需要双向同步调整的差动保护是无法比拟的。
为减小通道误码对差动保护的影响，通常采用双光纤通道纵差保护装置，任意一个通道故障不影响另一个通道差动的运行；或者装置配置双通道，一个通道配置纵联差动保护；另一个通道配置高频纵联保护或者光纤纵联保护，这样做显然增加了通道投资和维护成本。
本文提出纵差和纵联保护信息码双校核集成的新方法，旨在不增加通道投资成本仅利用现有单通道保护的基础上，将纵差保护的原理优越性和纵联保护对通道依赖性小的优点有机结合。
1 纵差和纵联保护信息码双校核集成方法
线路两侧纵联保护装置采用直接连接或复接E1接口连接方式，通信速率为2Mbit/s。纵联保护装置的采样频率为1200点/s，既每点可传送1706bit=213byte。两侧保护装置的通信协议一般采用HDLC高级数据链路控制协议，其帧头帧尾字符固定为0111 1110，即16进制的0x7E，各占1个字节。为保证用户信息域中不出现0x7E以防止与帧头帧尾字符混淆，协议控制接口芯片在发送端检测到5个连续的1时会自动插0，相应的在接收端会自动删0。HDLC协议将给整帧自动生成一个两字节的链路层CRC校验码，随数据一起发送。加上保护用保护功能信息码，实际每个间隔发送的纵联保护整帧信息码的数据长度都小于60 byte。因此，在每个采样间隔内，所有数据都可被发送而不会发生溢出，且能保证一定的时间裕量。
线路两侧纵联距离保护通过光纤交互的仅仅是开关量，仅需要一个字节，而纵差保护则需传送采样标号、采样时刻、电压电流的采样值和全周傅氏值以及各种参与差动逻辑判断的开关量约51个字节。纵联帧长度远小于纵差帧，因此出错的概率远小于纵差帧。
若只是简单的将纵联信息集成在纵差信息中，当整帧有任意一位（bit）受破坏时，整帧内容都不可用，纵联开关量信息也不可用，没能发挥纵联距离保护数据传输量小，对通道误码容忍力强的优点。
本文提出在纵差帧的前端部分集成所需的纵联信息，即一个字节的开关量信息，并给前端纵联信息独立加一个双字节的纵联CRC校验码，总共三个字节的纵联信息码，随整帧内容一起传送。HDLC协议依旧给整帧再自动生成一个链路层CRC校验码，随数据一起发送。这样，整个集成帧的帧长为54个字节。集成帧除去HDLC自动生成的帧头、帧尾、CRC的4个字节，保护用50个字节的有效信息码数据内容如表1所示。
表1 集成帧保护信息码数据内容
当接收到的纵差和纵联集成帧帧长和链路层CRC码均正确时，投入纵差保护；当集成帧帧长正确，但链路层CRC校验错误时，退出纵差保护，如此时纵联帧CRC校验正确时，说明纵联信息正确，纵联保护仍可投入。光纤通道上传输的数据除去硬件编码可用的有效帧长约为150个字节，同一误码率特性情况下，单一传送51个字节纵差信息码时，该帧不可用的概率为51/150；传送54个字节的纵差和纵联集成帧时，该帧不可用的的概率为3/150， 比较可知，采用纵差和纵联集成帧，误码容忍率提高了17倍，装置实际运行过程中，因误码产生的随机性，实际的误码容忍率会远高于该值。同时通道异常恢复后，纵差保护还需耗时进行重新同步，而纵联保护则可立即读取开关量进行逻辑判断。因此将使线路保护主保护退出时间大大减少，在不增加投资的情况下，提高了保护的可靠性。
2 纵差和纵联保护集成并行工作逻辑
现代微机保护强大的资源和计算功能，完全能够将纵差和纵联保护功能集成在一个保护装置中实现。单一光纤通道情况下，需要考虑纵差和纵联保护的分工，目前常用的做法是纵差保护为主，纵联保护热备用，一旦通道异常误码率较高导致纵差保护闭锁，就切换到纵联保护状态，这个切换过程可自动完成或由人工完成，但即便是自动切换也有一个从纵差闭锁，到通道交互两侧纵联信息，再纵联保护投入由纵联完成保护功能的过程，这是一个有延时的切换过程。人工切换的延时则更长。
本文利用纵差和纵联保护信息码双校核集成方法，在保护装置中将纵差和纵联保护两侧交互的信息量通过单一光纤通道同时传送，进而完成纵差和纵联保护并行计算，并行进行保护功能的逻辑判断，为实现无延时切换纵差和纵联保护提供了可能。
保护装置具有监测通道状况的功能，能实时判断、统计通道误码，集成纵差和纵联保护后，装置可根据通道状况自动进行无延时切换，具体实现过程如下：
保护装置实时监视通道误码状况，当通道正常或误码率较低时，纵差和纵联保护都投入计算，但只有纵差投跳闸。
当通道误码率较高，集成帧帧长正确，但链路层CRC校验错误时，导致纵差保护退出，保护装置自动切换到纵联保护投跳闸状态。由于纵差保护投跳闸期间，纵联保护同时在并行计算，属于“热备用”状态，因此是无延时的切换。这时如果纵联帧也是错误的，自动退出主保护，但由于纵联帧占空比远小于纵差帧，因此遭破坏概率远小于纵差帧。
当通道恢复正常，集成帧帧长正确，且链路层CRC校验正确时，差动保护重新投入时，自动切换回纵差保护投跳闸方式。
采样上述处理方式，确保了纵差保护的优先跳闸权，充分发挥了纵差保护原理方面的优势；当通道原因导致纵差退出时，自动无延时切换到纵联跳闸方式，充分利用了纵联通道适应性强的优点，两者优势互补。该方案在冰灾等恶劣气候环境对线路保护唯一的光纤通道传输质量造成严重影响、通道频繁出现误码的时候，在保证保护正确动作的前提下，尽可能的减少了主保护退出时间。
3 试验验证
将利用纵差和纵联保护信息码双校核集成方法应用于保护装置，利用某公司生产的TWM-1(G.703)通信误码发生仪测试：利用该方法后具备纵差和纵联无延时切换功能的集成装置，在通道发生较高误码率的情况下，主保护性能有何变化。
将一套仅有差动功能的保护装置和一套本方案提出的纵差和纵联集成装置同时接入如图1所示的RTDS仿真系统，该系统为线路长度为150kM的500kV双电源系统，其中M侧系统容量12500MW，N侧系统容量40000MVA。PT变比：500kV/100V，CT变比：2000/1。
图1 RTDS仿真系统示意图
整个试验的接线如图2所示，通道速率为2Mbit/s。
图2 试验接线示意图
TWM-1(G.703)通信误码发生仪可以输入的误码率范围1E-9/s~1E-1/s，在不同通道误码率情况下，模拟相同区内故障，主保护的动作行为结果如表2所示。
表2不同误码率情况下主保护动作行为
从上表中可以得出，仅有纵差保护功能的保护装置，其误码耐受率为1.10E-4，而纵差和纵联保护集成装置的误码耐受率为5.00E-3。由此可见，采用双校核集成方法后保护装置的误码耐受率从1.10E-4提高到了5.00E-3，提高了45倍，大大减少了恶劣通道环境下主保护退出的概率。同时，在纵差保护没有退出的情况下，能确保纵联保护可靠不动作。
4 结论
在冰灾等极端恶劣天气环境下，输电线路本身和随线架设的OPGW光纤通信线路经常遭受浮冰等因素影响，大量线路停运，导致灾区用电紧张。纵差和纵联保护集成装置利用本文提出的纵差和纵联信息码双校核集成方法，可完成并行计算，并根据通道状况实现无延时切换，在保证差动保护原理先进性的同时，又利用了纵联保护对通道要求低，容忍误码能力强的优点，解决现有纵联差动保护和纵联距离保护均无法同时兼顾保护原理先进性和复杂通道适应性的难题，在通道条件恶化情况下，能最大程度的保证线路保护不退出运行，有力地支持了灾区的抗灾救灾。该功能已经在PCS新一代超高压线路保护装置中得到应用。
参考文献
[1] 陈强林，李瑞生，马全霞，等．继电保护通道检测平台在光纤差动保护测试中的应用.电力系统保护与控制，2009，37(8)：83—85.92．
作者：
罗明（1977-），男，本科，工程师，研究方向为电力系统继电保护。E-mail：luoming96@126.com.
论文作者:罗明
论文发表刊物:《电力设备》2016年1期供稿
论文发表时间:2016/4/18
标签：通道论文; 误码率论文; 误码论文; 信息论文; 字节论文; 线路论文; 光纤论文; 《电力设备》2016年1期供稿论文;